الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها صاغ كارل بيرسون مصطلح الفيزياء الحيوية في الأصل عام 1892. من الواضح أن مصطلح الفيزياء الحيوية يستخدم أيضًا بانتظام في الدوائر الأكاديمية للإشارة إلى دراسة الكميات الفيزيائية.
(على سبيل المثال، التيار الكهربائي ودرجة الحرارة والإجهاد والنتروبيا) في الأنظمة البيولوجية، اتبع موقع القلعةة للتعرف على الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها.
الفيزياء الحيوية
الفيزياء الحيوية هي علم متعدد التخصصات يطبق الأساليب والتقنيات المستخدمة تقليديا في الفيزياء لدراسة الظواهر البيولوجية.
تغطي الفيزياء الحيوية جميع مقاييس التنظيم البيولوجي، من الجزيئات إلى الكائنات الحية والمجموعات السكانية.
تتداخل الأبحاث الفيزيائية الحيوية بشكل كبير مع الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية والكيمياء الفيزيائية.
علم وظائف الأعضاء، وتكنولوجيا النانو، والهندسة الحيوية، وعلم الأحياء الحسابي، والميكانيكا الحيوية، وعلم الأحياء التطوري وبيولوجيا الأنظمة.
انظر أيضًا: انتهى موضوع التعبير للفيزيائيين
تاريخ موجز للفيزياء الحيوية
أجريت بعض الدراسات السابقة في الفيزياء الحيوية في أربعينيات القرن التاسع عشر من قبل مجموعة تعرف باسم مدرسة برلين لعلماء الفسيولوجيا.
ضم أعضاؤها رواد مثل هيرمان فون هيلمهولتز وإرنست هاينريش ويبر وكارل إف دبليو. لودفيج ويوهانس بيتر مولر.
اكتسب هذا المجال شهرة عندما ظهر كتاب ما هي الحياة؟ بقلم إروين شرودنغر، نُشر منذ عام 1957.
؛ نظم علماء الفيزياء الحيوية أنفسهم في اتحاد الفيزياء الحيوية، الذي يضم الآن حوالي 9000 عضو في جميع أنحاء العالم.
ينتقد بعض المؤلفين، مثل روبرت روزين، الفيزياء الحيوية، بحجة أن الطريقة الفيزيائية الحيوية لا تأخذ في الاعتبار خصوصيات الظواهر البيولوجية.
الفيزياء الحيوية الجزيئية
غالبًا ما تستخدم التقنيات.
التصوير الفلوري بالإضافة إلى الفحص المجهري الإلكتروني، وتصوير البلورات بالأشعة السينية، والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.
والفحص المجهري للقوة الذرية (AFM)، مجهر التشتت صغير الزاوية (SAS)، بالأشعة السينية والنيوترونات (SAXS / SANS)، لتصوير الهياكل ذات الأهمية البيولوجية.
يمكن ملاحظة ديناميات البروتين عن طريق مطيافية صدى الدوران النيوتروني، ويمكن قياس التغيرات التوافقية في الهيكل.
استخدام تقنيات مثل قياس التداخل ثنائي القطب، والحيود الدائري، و SAXS، و SANS.
يمكن أيضًا استخدام المعالجة المباشرة للجزيئات باستخدام ملاقط بصرية، أو AFM، لمراقبة الأحداث البيولوجية حيث تكون القوى والمسافات على المقياس النانوي.
غالبًا ما ينظر علماء الفيزياء الحيوية الجزيئية إلى الأحداث البيولوجية المعقدة على أنها أنظمة من الكيانات المتفاعلة.
يمكن فهمه أيضًا، على سبيل المثال، من خلال الميكانيكا الإحصائية والديناميكا الحرارية والحركية الكيميائية.
من خلال رسم المعرفة والأساليب التجريبية من مجموعة متنوعة من التخصصات، غالبًا ما يكون علماء الفيزياء الحيوية قادرين على المراقبة المباشرة أو نمذجة أو حتى التلاعب بهياكل وتفاعلات الجزيئات الفردية أو معقدات الجزيئات.
اقرأ أيضًا: أبحاث قانون كيرشوف في الفيزياء
ماذا تفعل في الفيزياء الحيوية الجزيئية؟
تتعامل الفيزياء الحيوية الجزيئية عادةً مع الأسئلة البيولوجية المشابهة لتلك الموجودة في الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية.
كما يسعى إلى إيجاد الأساس المادي لظواهر الجزيئات الحيوية، ويقوم العلماء في هذا المجال بإجراء أبحاث تتعلق بفهم تفاعلات الأنظمة المختلفة في الخلية، بما في ذلك التفاعلات بين DNA و RNA.
التخليق الحيوي للـ RNA والبروتينات، وكيف يتم تنظيم هذه التفاعلات، وتستخدم تقنيات كبيرة ومتنوعة للإجابة على هذه الأسئلة.
الفيزياء الحيوية الحديثة
بالإضافة إلى الموضوعات الفيزيائية الحيوية التقليدية (أي الجزيئية والخلوية)، مثل البيولوجيا الهيكلية أو حركية الإنزيم.
تغطي الفيزياء الحيوية الحديثة مجموعة واسعة جدًا من الأبحاث، من الإلكترونيات الحيوية إلى علم الأحياء الكمي، بما في ذلك الأدوات التجريبية والنظرية.
أصبح من الشائع بشكل متزايد لعلماء الفيزياء الحيوية استخدام النماذج والتقنيات التجريبية المشتقة من الفيزياء.
بالإضافة إلى الرياضيات والإحصاءات للأنظمة الأكبر مثل الأنسجة والأعضاء والسكان والنظم البيئية.
تُستخدم النماذج الفيزيائية الحيوية الحديثة على نطاق واسع لدراسة التوصيل الكهربائي في الخلايا العصبية المفردة.
وكذلك تحليل الدوائر العصبية في كل من الأنسجة والدماغ كله.
الفيزياء الحيوية الطبية
الفيزياء الطبية، أحد فروع الفيزياء الحيوية، هي أي تطبيق للفيزياء على الطب أو الرعاية الصحية.
من علم الأشعة إلى الفحص المجهري إلى طب النانو، على سبيل المثال، وضع الفيزيائي ريتشارد فاينمان نظرية حول مستقبل طب النانو.
الكتابة عن فكرة الاستخدام الطبي للآلات البيولوجية، اقترح ألبرت هيبس وفينمان إصلاح بعض الآلات.
قد يتقلص يومًا ما إلى الحد الذي يمكنه (كما قال فاينمان) “ابتلاع الطبيب”.
تمت مناقشة الفكرة في ورقة Feynman لعام 1959، “هناك الكثير من الغرفة أدناه”.
التركيز كحقل فرعي
في حين أن بعض الكليات والجامعات لديها أقسام مخصصة للفيزياء الحيوية، عادة على مستوى الدراسات العليا.
لا يوجد لدى الكثير منها أقسام للفيزياء الحيوية على مستوى الجامعة، ولكن بدلاً من ذلك لديها مجموعات في الأقسام ذات الصلة.
على سبيل المثال، الكيمياء الحيوية وبيولوجيا الخلية والكيمياء وعلوم الكمبيوتر والهندسة والرياضيات والطب والبيولوجيا الجزيئية وعلم الأعصاب والصيدلة والفيزياء وعلم وظائف الأعضاء.
اعتمادًا على نقاط القوة في قسم الجامعة، ستكون مجالات التركيز هي الفيزياء الحيوية، وفيما يلي قائمة بأمثلة عن كيفية تطبيق كل قسم لجهوده في دراسة الفيزياء الحيوية.
هذه القائمة ليست شاملة، ولا ينتمي كل موضوع حصريًا إلى قسم معين، حيث تضع كل مؤسسة أكاديمية قواعدها الخاصة.
هناك الكثير من التداخل بين الأقسام. [بحاجة لمصدر]
- علم الأحياء والبيولوجيا الجزيئية – تنظيم الجينات، وديناميات البروتين الأحادي، والطاقة الحيوية، وتقاطع التصحيح، والميكانيكا الحيوية والفيزياء الفيروسية.
- البيولوجيا الهيكلية – تحليل تراكيب البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات ومركباتها.
- الكيمياء الحيوية والكيمياء – التركيب الجزيئي الحيوي، سيرنا، بنية الحمض النووي، علاقات التركيب والنشاط.
- علوم الكمبيوتر – الشبكات العصبية وقواعد البيانات الجزيئية الحيوية والصيدلة.
- الكيمياء الحاسوبية – محاكاة الديناميات الجزيئية، الالتحام الجزيئي، كيمياء الكم.
- المعلوماتية الحيوية – محاذاة التسلسل، المحاذاة الهيكلية، تنبؤ بنية البروتين.
- الرياضيات – نظرية الرسم البياني / الشبكة، النمذجة السكانية، الأنظمة الديناميكية، علم الوراثة.
- الطب – دراسة فيزيائية حيوية تركز على الطب والفيزياء الحيوية الطبية هي مجال يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم وظائف الأعضاء الذي يشرح مختلف جوانب وأنظمة الجسم من منظور فيزيائي ورياضي.
- علم الأعصاب – دراسة الشبكات العصبية تجريبياً (شرائح المخ) وكذلك نظرياً (نماذج الكمبيوتر)، تحمل الأغشية، العلاج الجيني، علم الأورام.
- علم الأدوية وعلم وظائف الأعضاء – القنوات، التفاعلات الجزيئية الحيوية، أغشية الخلايا، البوليكيتيدات.
- الفيزياء – علم الأعصاب، والعمليات العشوائية، وتطوير وتطبيق تقنيات وأجهزة فيزيائية جديدة.
- بيولوجيا الكم – يطبق مجال بيولوجيا الكم ميكانيكا الكم على الموضوعات والمشكلات البيولوجية بدون أيزومرات الكرفس لاشتقاق بدائل أساسية تعتمد على الوقت.
قد تكون مهتمًا. معلومات الفوتون في الفيزياء
في نهاية المقالة الفيزياء الحيوية وتطبيقاتها، العديد من الأساليب الفيزيائية الحيوية خاصة بهذا المجال، وغالبا ما تبدأ جهود البحث في الفيزياء الحيوية من قبل علماء أحياء أو كيميائيين أو فيزيائيين عن طريق التدريب.